自悬浮与普通支撑剂裂缝导流能力实验研究

田中原，卢祥国，曹伟佳，陈 清，闫 冬

（1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318；2.渤海钻探工程有限公司井下作业分公司，河北任丘062552；3.中海油田服务股份有限公司天津分公司，天津300452）

现有压裂技术原理是通过地面高压泵向井筒挤注压裂液，当压裂液注入速度超过油层吸液速度时，井底压力升高。一旦井底压力超过油层岩石破裂压力，储层岩石发生破裂并且裂缝向储层深部延伸。与此同时，通过携带液将支撑剂带入裂缝深处，这些支撑剂会在压裂施工结束后阻止裂缝闭合，形成一个具有较低渗流阻力的渗流通道[1-3]。

在现场压裂施工过程中，压裂液配制和运输工作量繁重，配制和运输设备运行费用高[4]，大大提高了压裂施工成本，同时也给压裂规模调整和突发事件应对带来诸多不便。

自悬浮支撑剂可以实现在线配制携砂液，可以大幅度减少压裂液配制和运输费用。此外，依据压裂施工过程中所收集的注入压力和注液速度等参数，可以及时调整施工规模，从而减少施工风险和药剂费用[5]。

与常规支撑剂相比较，自悬浮支撑剂主要优势或特点包括：

（1）支撑剂颗粒外层聚合物膜可以快速水化，自悬浮支撑剂携带液可采用污水或清水在线配制，减少了携带液配制和运输设备，降低了生产运行费用。

（2）在高剪切下，自悬浮支撑剂外层水化膜维持稳定，能够持久黏附在支撑剂颗粒表面，确保支撑剂从井筒到裂缝的长距离运移[6-8]。

自悬浮支撑剂制作技术为Fairmount Santrol公司所掌握，其配方少有文献报道。寻找自悬浮支撑剂覆膜材料和覆膜工艺是实现支撑剂携带液在线配制的核心问题，目前国内外相关研究文献报道比较少[9-11]。

本文以大庆和华北等油藏条件为模拟对象，开展自悬浮支撑剂与“支撑剂+携带液”裂缝导流能力对比实验研究，并进行机理分析，将为自悬浮支撑剂矿场应用提供决策依据[12]。

1 实验部分

1.1 实验材料

自悬浮支撑剂由东北石油大学实验室自制；支撑剂包括石英砂和陶粒，由大庆油田井下作业公司提供，有效质量分数100%；增稠剂包括聚合物和胍胶，聚合物为华龙祥化工科技有限公司生产“中分”聚合物（细粉，有效质量分数90%）和实验室自制功能聚合物（细粉，有效质量分数90%），胍胶由大庆井下作业公司提供（细粉，有效质量分数90%）；交联剂由东北石油大学实验室研制，有效质量分数100%；破胶剂为过硫酸铵，市场购买；实验用水为目标油藏模拟水，水质分析见表1。

1.2 仪器设备和实验步骤

裂缝导流能力评价实验装置导流室长度方向两测压点间距L=12.75 cm，宽度W=4.12 cm。采用压力试验机提供裂缝闭合压力（100 MPa以上）。此外，实验装置还包括中间容器、平流泵、电子天平和精密压力表（最大量程1.6 MPa，精度0.001 MPa）等。

采用20～30目筛网对裂缝导流能力实验前后支撑剂进行筛析，据此计算破碎率。实验步骤为：

（1）组装夹持器，清理管线和接头，采用20～30目筛网筛选出实验用支撑剂样品。

（2）填充支撑剂，依据设计填砂浓度称量支撑剂，将其均匀充填到导流室，盖上上活塞，用蒸馏水浸湿支撑剂。

（3）依据设计闭合压力加上覆压力，承压15 MPa后打开平流泵，以2 mL/min排量驱替。待压力稳定后，测量“测压点1”和“测压点2”处压力。

（4）停泵，增加上覆压力到更高一级，重复步骤（3），直至实验结束。

（5）关闭平流泵，释放导流室压力，清理管线，关闭电源。

（6）收集支撑剂，计算裂缝导流能力和破碎率。

在达西流条件下支撑剂充填层渗透率计算公式见式（1），裂缝导流能力计算公式见式（2）。

式中，k为支撑剂充填层渗透率，103μm2；μ为实验温度条件下液体的黏度，mPa·s；Q为流量，cm3/s；L为测压孔之间长度，cm；W为导流室支撑剂充填宽度，cm；Wf为导流室支撑剂充填厚度，cm；Δp为压差（上游压力减去下游压力），kPa。

将导流室长度和宽度参数带入式（2），得到计算导流能力简化公式（3）：

确定支撑剂体积密度计算方法为：（1）准备一个精确度0.01 mL的100 mL容量瓶；（2）将漏斗放在容量瓶颈口，装入支撑剂至100 mL刻度线处，不必摇动或拍打容量瓶；（3）称量容量瓶的质量，精确度0.01 g。

采用式（4）计算支撑剂体积密度：

式中，ρ为支撑剂体积密度，g/cm3；Wf1,p为容量瓶与支撑剂的质量，g；Wf1为容量瓶的质量，g。

未加闭合压力状态下支撑剂填充层厚度可用式（5）计算：

式中，C为支撑剂铺置浓度，kg/m2；ρ为支撑剂体积密度，g/cm3。

随导流室闭合压力逐渐增加，填砂厚度将发生变化。为记录每次加压对应厚度，采用记号笔在导流室上活塞与主体缝隙之间做刻度线，再用游标卡尺测量各个刻度线间距离，最终得到不同闭合压力下填砂厚度。

实验完毕将导流室中支撑剂倒入20～30目筛子中，振筛10 min，称取过筛后破碎颗粒质量，按式（6）计算支撑剂破碎率百分比。

式中，η为支撑剂破碎率，无因次；mc为破碎样品质量，g；mp为支撑剂样品质量，g。

2 结果分析

2.1 裂缝导流能力及其影响因素

裂缝对导流能力的影响见表2。裂缝导流能力与闭合压力关系见图1。

表2 裂缝导流能力实验数据Table 2 Experimental results of fracture conductivity μm2·cm

图1 导流能力与闭合压力关系Fig.1 Relationship between diversion capacity and closing pressure

从表2可以看出，“支撑剂+水”裂缝对导流能力的影响。随裂缝闭合压力增加，裂缝导流能力减小；随填砂浓度增加，裂缝导流能力增加。与石英砂相比较，陶粒裂缝导流能力较强。

从表2还可以看出，支撑剂和携带液类型对导流能力的影响。随裂缝闭合压力增加，裂缝导流能力减小；随填砂浓度增加，裂缝导流能力增加。与石英砂相比较，陶粒裂缝导流能力较强。与“支撑剂+水”比较，其裂缝导流能力明显较大，表明聚合物类携带液能够增强支撑剂抗压能力，降低破碎率，进而增大裂缝导流能力。另一方面，携带液在支撑剂颗粒间隙中会发生滞留，致使渗流阻力增加，即“注入端”与“出口端”压差增大，这会降低裂缝导流能力。当前者对裂缝导流能力影响大于后者时，裂缝导流能力提高。反之，裂缝导流能力下降。

从图1可以看出，当闭合压力低于30 MPa时，两种支撑剂裂缝导流能力下降幅度较小。当闭合压力超过40 MPa后，裂缝导流能力下降速度增加。闭合压力超过80 MPa以后，裂缝导流能力下降速度减缓，曲线趋于平稳。分析认为，当闭合压力较低时，支撑剂还未发生脆性破坏，弹性起主要作用。随闭合压力逐渐增加，支撑剂颗粒间孔隙空间减小，导流能力变差，但变化并不明显。当闭合压力增加到一定值后，支撑剂颗粒开始发生破碎（石英砂发生破碎压力为30 MPa左右，陶粒为40 MPa左右），孔隙过流断面减小，渗透率大幅度降低，裂缝导流能力迅速下降。当闭合压力达到80 MPa时，支撑剂充填层中与夹持器活塞接触部分破碎率较高，中间部分破碎率较低，导流能力下降幅度变小，曲线趋于稳定。与石英砂不规则外形相比较，陶粒呈现球形，抗破碎能力较强，因而裂缝导流能力较高。

图2为陶粒、石英砂导流能力与闭合压力关系。从图2可以看出，对于石英砂支撑剂，“石英砂+携带液”裂缝导流能力整体上略大于自悬浮石英砂的值；对于陶粒支撑剂，自悬浮陶粒裂缝导流能力整体上略大于“陶粒+携带液”的值。进一步分析发现，对于陶粒支撑剂，当闭合压力超过70 MPa后,各种填砂浓度的裂缝导流能力差值明显减小；对于石英砂支撑剂，当闭合压力超过40 MPa后,各种填砂浓度的裂缝导流能力差值也明显减小。

图2 陶粒、石英砂导流能力与闭合压力关系Fig.2 Relationship between diversion capacity and closing pressure of ceramsite and quartz sand

2.2 支撑剂破碎率

普通支撑剂和自悬浮支撑剂破碎率测试结果见表3。

从表3方案1可以看出，随填砂浓度减小，支撑剂破碎率升高。与石英砂相比较，陶粒破碎率明显较低，表明陶粒具有较强抗压能力。方案1与方案2、3对比可知，聚合物类携带液可以增强支撑剂抗压能力，减少破碎率，进而提高裂缝导流能力。方案2与方案3对比可知，与“支撑剂+携带液”相比较，自悬浮支撑剂破碎率略高，对裂缝导流能力未造成明显影响。

表3 普通支撑剂和自悬浮支撑剂破碎率测试Table 3 The testing of general proppant and selsuspension proppan

3 结 论

（1）随闭合压力增加，裂缝导流能力减小。随填砂浓度增加，裂缝导流能力增加。与石英砂相比较，陶粒抗压和裂缝导流能力明显较高。

（2）聚合物类携带液一方面可以增强支撑剂抗压能力，降低破碎率，进而增加裂缝导流能力。另一方面，携带液在支撑剂颗粒间隙中会发生滞留，致使渗透率减小，这会降低裂缝导流能力。因此，最终裂缝导流能力是渗透率和破碎率共同作用的结果。

（3）与“支撑剂+携带液”相比较，自悬浮支撑剂破碎率略高，这对裂缝导流能力未造成明显影响。由此可见，自悬浮支撑剂加工过程中并未对支撑剂抗压能力和裂缝导流能力造成影响。